CN112599791A - 一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法及其设备，所述方法包括如下步骤：S1、将固体催化剂颗粒和全氟磺酸树脂液，加入去离子水、低沸点醇类溶剂和慢干剂，分散、除泡，得到催化剂浆料；S2、选择第一预设工艺涂布到质子交换膜的一侧，完全干燥形成催化层A；S3、催化剂浆料涂布在支撑体上，并使其通过多道功能化的喷涂处理，形成具有凝胶态层的支撑复合体；S4、将带有凝胶态层的支撑复合体和质子交换膜的另一面进行热压转移，将支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的另一面，得催化电极；本发明的膜电极在制备过程中通过热压转移的方式，解决质子交换膜溶胀和催化层掉落等问题，并且成品率高，催化层电化学性能优异。

Description

一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法及其设备
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学电池，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池领域的重要分支，除了拥有燃料电池一般性特点如能量转换效率高、环境友好之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。它不仅适用于分散式电站的建设，而且适用于移动供电。它是一种新型的军用和民用移动电源。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。
目前比较常见的制备方式是采用涂布和喷涂，采用喷涂法制备膜电极有利于催化层的均匀性和孔隙率，并且膜电极性能也较好。但是目前采用超声喷涂的方式都较为复杂，多采用预先裁剪成块状料再使用夹具固定后进行喷涂，多见于实验室的小批量制备，或是采用真空吸附传送带进行喷涂，无法做到卷对卷的连续化涂布，而且喷涂过程中，会造成催化剂浆料的大量浪费。并且现有的燃料电池喷涂生产线无法满足燃料电池展现最佳性能的生产要求以及无法规模化量产。采用涂布的方式制备膜电极的过程中，目前一般选择双面涂布和单面涂布的方式，在双面涂布催化层时，由于大多数催化层采用的溶剂是醇类物质，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丙醇或丙三醇等，醇类溶剂会使质子交换膜产生溶胀和褶皱，严重会出现膜穿孔，进而影响质子交换膜的质量。
为了解决上述溶胀问题，人们在质子交换膜的单面涂布催化层后，在其上面覆一层保护膜，然后涂布第二催化层，此种方式虽然可以缓解质子交换膜的溶胀问题，但是由于保护膜在附着的过程中不可避免会产生气泡和褶皱等问题，影响第二催化剂的涂布，其次保护膜在涂布结束后撕下来的时候其粘着力较强，会带走大量催化剂层，导致催化层脱落和不完整，最后保护膜具有很高的成本花费。进而人们选择采用单面涂布方法，其做法是在质子交换膜的一面涂上第一催化层，同时在支撑体上涂布第二催化层，分别将第一催化层和第二催化层烘干，再将第二催化层通过一定工艺转移到已揭去底膜的质子交换膜的另一面上，形成催化电极。但是支撑体上的第二催化层在转移至质子交换膜上的过程中，或多或少的部分催化层残留在支撑体上不能完全转移，造成转移率不高，催化层表面形貌不完整，催化层厚度分布不均匀的问题，这是不允许的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法，在催化层制备过程中，通过转移的方式解决质子交换膜溶胀和催化层掉落等问题，并且对催化层进行一系列处理，使得催化层不仅转移率高，而且催化层电化学性能优异。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一方面，本发明提供一种燃料电池催化电极的生产方法，所述方法包括如下步骤：
S1、制备催化剂浆料，将所制得的催化剂浆料涂布于质子交换膜的一面，烘干后备用；
S2、将S1制备的催化剂浆料涂布在一支撑体上，对所述催化剂浆料进行烘干形成催化剂层，同时在催化剂层上依次喷涂保湿溶液、抗氧化溶液、增强质子传导溶液以及全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的支撑复合体；
S3、将S2制备的支撑复合体与S1的质子交换膜的非涂覆面进行热压转移处理，使支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的非涂覆面上，烘干后得到所述催化电极。
另一方面，本发明提供了一种为实施上述方法而专门设计的燃料电池催化电极的生产设备，所述设备为连续涂布设备；所述连续涂布设备包括支撑体传送线和质子交换膜传送线；所述支撑体传送线与质子交换膜传送线设有传送重合处；所述传送重合处设有热压复合区；
沿传送方向，所述支撑体传送线上位于热压复合区的前工位处依次设有涂布头和烘箱，所述支撑体传送线穿过烘箱，并在烘箱中呈从高到低的坡度状，所述烘箱内阵列设有若干个喷头；
沿传送方向，所述支撑体传送线上位于热压复合区的后工位处设有支撑体收卷辊，所述质子交换膜传送线上位于热压复合区的后工位处设有烘箱。
本发明进一步设置为：所述支撑体传送线和质子交换膜传送线均包括传送带、若干个传送辊以及若干个驱动电机；所述热压复合区包括一对用于实现热压功能的加热转动辊。
再一方面，本发明提供了一种利用上述设备生产催化电极的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将支撑体和一面涂有催化剂浆料的质子交换膜分别置于支撑体传送线和质子交换膜传送线的起始位置；
(2)通过涂布头将催化剂浆料涂布在支撑体上，然后传送至烘箱中，在烘干的同时通过不同喷头依次喷涂保湿溶液、抗氧化溶液、增强质子传导溶液和全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的支撑复合体；
(3)在传送带的带动下，将质子交换膜和所述支撑复合体通过热压复合区进行热压转移，使支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的非涂覆面上，之后通过支撑体收卷辊对支撑体进行收卷，转移后的质子交换膜两面均具有催化剂层，通过烘箱进行烘干，得到所述催化电极。
具体地，上述燃料电池催化电极涂布生产方法，包括如下步骤：
S1,制备催化剂浆料，将所制得的催化剂浆料涂布于质子交换膜的一面并烘干后收卷备用；
S2、将S1制备的催化剂浆料涂布在一支撑体上，之后支撑体传送进入烘箱，所述烘箱内延传送方向阵列设有多个喷头，依次对支撑体喷涂具有保湿功能的化合物溶液、具有抗氧化功能的化合物溶液、具有增强质子传导功能的化合物溶液以及全氟磺酸树脂溶液，最终形成具有凝胶态层的支撑复合体。
S3、将S2制备的支撑复合体与S1的质子交换膜的另一非涂覆面进行热压转移处理，使支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的第二面，烘干后得到催化电极。
本发明进一步设置为：S1中催化剂浆料的制备方法为，称取Pt含量为10-90％的Pt/C或Pt合金/C固体催化剂颗粒和质量浓度为5％-20％的全氟磺酸树脂液以及去离子水、低沸点醇类溶剂和慢干剂，所述固体催化剂颗粒：全氟磺酸树脂液：去离子水：低沸点醇类溶剂：慢干剂的质量比为1-3:4-6:2-4:30-50:0.1-0.2，在25-40℃下超声分散和高速搅拌分散，静置除泡，得到催化剂浆料。
本发明进一步设置为：所述慢干剂为丙二醇乙醚或2-乙氧基乙醇。
本发明进一步设置为：所述保湿溶液为化合物I和溶剂的混合；所述化合物I为纳米二氧化硅、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米氧化锆和纳米氧化铝中的一种；所述抗氧化溶液为化合物II与溶剂的混合；所述化合物II为纳米氧化锰、纳米二氧化锰、纳米氧化铈和纳米氧化锆中的一种；所述增强质子传导溶液为化合物III与溶剂的混合；所述化合物III为杂多酸；
所述保湿溶液、抗氧化溶液、增强质子传导溶液以及全氟磺酸树脂溶液中所用溶剂均为去离子水和低沸点醇类的混合；所述去离子水和低沸点醇类的质量比为1：1。
本发明进一步设置为：所述杂多酸为磷钼酸、磷钨酸和硅钨酸中的一种；所述保湿溶液中的化合物I质量分数为0.1％-0.2％；所述抗氧化溶液中化合物II的质量分数为0.1％-0.2％；所述增强质子传导溶液中化合物III的质量分数为0.1％-0.2％；所述全氟磺酸树脂溶液中全氟磺酸树脂的质量分数为0.1-0.2％。
本发明进一步设置为：所述支撑体为经过电晕处理的聚乙烯膜、聚丙烯膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，所述支撑体的厚度为50-100μm。
本发明进一步设置为：S2中对支撑体的涂布湿厚为20-30μm，烘干温度为30-60℃；S2中任一所述溶液的喷涂均为间隔式喷涂，喷涂频率为150-350ms/次，喷涂间隔时间为100-200ms；喷涂流量为6-10mL/min,喷涂速度200-400mm/s，化合物I、化合物II、化合物III和全氟磺酸树脂喷涂担量均为0.01-0.02mg/cm2。
本发明进一步设置为：所述对支撑体上的催化剂浆料进行喷涂处理时经过四个喷涂室，其中第一个喷涂室喷涂具有保湿功能的化合物溶液，第二个喷涂室喷涂具有抗氧化功能的化合物溶液，第三个喷涂室喷涂具有增强质子传导功能的化合物溶液，第四个喷涂室喷涂全氟磺酸树脂溶液；其中具有保湿功能的化合物溶液中的化合物含量为0.1％-0.2％,具有抗氧化功能的化合物溶液中的化合物含量为0.1％-0.2％,增强质子传导功能的化合物溶液中的化合物含量为0.1％-0.2％,全氟磺酸树脂溶液中全氟磺酸树脂含量为0.1-0.2％,所有溶液均为去离子水和低沸点醇类溶剂，并且质量比为1：1。
本发明进一步设置为：传送至烘箱内的传送带呈倾斜状，沿其传送方向，传送带呈从高到底状，所述喷头对催化剂浆料层均采用间隔式喷涂，喷涂频率为150-350ms/次，喷涂间隔时间为100-200ms。
本发明进一步设置为：S2中对支撑体的涂布湿厚为20-30μm，烘箱温度为30-60℃。
本发明进一步设置为：S2中所述喷头对支撑体的喷涂流量均为6-10mL/min,喷涂速度200-400mm/s，每种成分的喷涂担量为0.01-0.02mg/cm2。
通过采用上述技术方案，
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用在一支撑体上涂布催化剂浆料形成支撑复合体，再通过喷涂多功能浆料溶液，以及传送过程中工艺参数的控制，使得支撑复合体表面的溶剂未挥发完全，即使得催化电极一直保持未干燥凝胶状态，一方面此凝胶态层更容易转移到质子交换膜上，有效提高转移效率，保证催化电极质量；另一方面，凝胶态也更容易与喷涂处理时的溶液进行附着，不会因为干燥后的催化层表面疏水性太强而处理不均匀；
同时，本发明选择将具有功能化的化合物配制成可喷涂溶液，通过多个喷头的设置一次直接喷涂在催化电极上，梯度式的喷涂法，一方面避免了直接喷涂或涂布在质子交换膜上引起质子交换膜溶胀，造成膜的破坏和损失，另一方面本发明制备的功能化层每层叠加而不是多功能化合物混合制备，使得每种化合物的有益作用充分体现，不会造成化合物彼此之间相互作用引起电池性能下降，并且采用喷涂的方式制备的功能层更均匀；并且本发明功能性溶液的喷涂均设置在烘箱烘干过程中同时进行，避免先喷涂后烘干导致溶液全部干燥，先烘干后喷涂导致溶剂量过大。
2、本发明中功能化处理包括四个：一是对凝胶态层进行保湿处理，改善催化层在运行过程中必须增湿的缺陷，使得其可以在高温低湿条件下具有良好的质子导率；二是进行抗氧化处理，使得催化层中的全氟磺酸树脂以及质子交换膜表面避免受到自由基的攻击而产生降解；三是进行增强质子传导处理，目的是为了提高质子在催化层中的传导率；四是对催化层进行喷涂树脂溶液处理，既提高了质子导率又提高了成品率。
3、本发明选择的支撑体经过电晕处理，使得支撑体在涂布催化剂浆料时，涂层更均匀，不会出现浆料流动或漏空等现象，有效消除了支撑体和催化剂浆料之间因为静电排斥造成的催化层破裂和均匀。
4、本发明采用涂布方式进行催化层的制备过程，一方面在催化剂的制备过程中，需要对催化剂进行充分分散，因此选择先超声分散再高速搅拌分散的方式，并在分散结束后进行去除气泡处理，进一步保证催化剂浆料的均匀性；另一方面，在配制过程中，选择加入水和慢干剂，使得催化剂浆料在涂布过程中不会干燥过快出现催化层裂纹和掉落等缺陷，并且使其在支撑体上稳定保持在凝胶态层方便转移到质子交换膜上。
5、本发明的支撑体进入烘箱的同时，通过多个喷头对支撑体喷涂处理溶液，在此过程中，传送带呈一端高一端低状，并且喷头采用间歇式喷涂，采用固定的时间频率进一步有效控制对支撑体的喷涂量，并且喷涂于支撑体表面的溶液在高低状传送带的作用下沿支撑体表面慢速流淌，配合喷头的匀速下料，避免支撑体表面因下料太多产生溶液流动引起的功能层不均匀，有效提高溶液在支撑体表面的均匀性。
附图说明
图1是涂布生产方法的结构示意图。
图中：1、支撑体；2、涂布头；3、催化剂浆料涂层；4、烘箱；5、第一喷头；6、第二喷头；7、第三喷头；8、第四喷头；9、质子交换膜；10、热压复合区；11、支撑体收卷辊；12、催化电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种高成品率燃料电池催化电极涂布生产方法，首先配置催化剂浆料，并对质子交换膜的第一面进行催化剂浆料的涂布，涂布方式可以采用丝网印刷、静电喷涂、连续涂布、辊涂等，之后将配置的催化剂溶剂涂布至一支撑体上，之后热压转移于与质子交换膜的第二面，烘干后形成催化电极12。
在本发明中主要采用连续涂布设备实现对支撑体的连续涂布以及转移工序，连续涂布设备具体可以采用卷对卷连续涂布机。如图1所示，本连续涂布设备包括相向传送的支撑体1传送线和质子交换膜9传送线，支撑体1传送线和质子交换膜9传送线均由多个传送辊以及驱动电机构成，支撑体1传送线与质子交换膜9传送线的传送重合处设置热压复合区10，热压复合区10即由一对同时可实现对支撑体1、质子交换膜9传送的加热转动辊构成，支撑体1传送线上沿其传送方向并位于热压复合区10的前工位处，依次设有供催化剂浆料上料以及实现涂布工作的涂布头2和烘箱4，所述烘箱4内沿其传送方向依次设有喷涂保湿功能的化合物溶液的第一喷头5、喷涂具有抗氧化功能的化合物溶液的第二喷头6、喷涂具有增强质子传导功能的化合物溶液的第三喷头7以及喷涂全氟磺酸树脂溶液的第四喷头8，并且传送至烘箱4内的传送带呈倾斜状，沿其传送方向，传送带呈从高到底状，喷头对催化剂浆料层均采用间隔式喷涂，喷涂频率为200ms/次，喷涂间隔时间为150ms。
已涂布完第一面的质子交换膜9和支撑体1分别置于连续涂布设备的质子交换膜9传送线和支撑体1传送线中，实现两者的相向传送，涂布头2实现对支撑体1上连续涂布上催化剂浆料形成支撑复合体，之后进入烘箱4，依次经过第一喷头5、第二喷头6、第三喷头7、第四喷头8的喷涂以及烘箱4的烘干后与质子交换膜9一同进入热压复合区10内实现热压转移，最后转移完成的支撑复合体由支撑体1收卷辊，转移成功的质子交换膜9两面均具有催化剂浆料，再次经过烘箱4烘干后形成催化电极12。
实施例1：
(1)称取15g 10％的Pt/C固体催化剂和60g 5wt％的全氟磺酸树脂溶液混合，加入30g去离子水和450g异丙醇，超声分散15min；再加入1.5g丙二醇乙醚，超声分散30min，接着用高速搅拌分散60min，然后将其放置于真空箱内抽真空10min消除气泡，得到催化剂浆料；
(2)分别称取0.5g纳米二氧化硅、0.5g纳米二氧化锰、0.5g磷钨酸和10g5wt％的全氟磺酸树脂液，分别加入249.75g去离子水和249.75g乙醇、249.75g去离子水和249.75g乙醇、249.75g去离子水和249.75g乙醇、245g去离子水和245g乙醇，搅拌均匀，分别得到含量为0.1wt％的化合物溶液，依次分别上料到对支撑体进行保湿处理、抗氧化处理、增强质子传导处理以及喷涂树脂的喷头内，备用；
(3)将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为2m/min、涂布湿厚30μm的工艺涂布在质子交换膜9的一面，烘箱4温度为80℃，得到完全干燥的催化层A；
(4)选择厚度为50μm的PET膜，并对PET膜单面进行电晕处理和除尘处理，消除灰尘和静电；然后将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为6m/min、涂布湿厚20μm的工艺涂布在经过电晕处理的PET支撑体1上，形成催化剂浆料层，通入温度为30℃的烘箱4，并依次经过烘箱4内的第一喷头5、第二喷头6、第三喷头7和第四喷头8进行喷涂处理，喷涂速度均为200mm/s，喷涂流量为6mL/min，首先喷涂纳米二氧化硅溶液，其次喷涂纳米二氧化锰溶液，再次喷涂磷钨酸溶液，最后喷涂全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的PET支撑复合体，其中，上述任一功能化合物的担量均为0.01mg/cm2；
(5)将(4)所得含有凝胶态层的PET支撑复合体和(3)制备的含有催化层A的质子交换膜9在热压复合区10以温度30℃、压力4MPa热压复合，然后支撑体收卷辊11收掉支撑体1，热压结束后的质子交换膜9在2m/min的牵引速度下，通入60℃烘箱4进行干燥得催化电极12。
实施例2：
(1)称取10g 90％的Pt/C固体催化剂和20g 20wt％的全氟磺酸树脂溶液混合，加入13g去离子水和167g乙醇，超声分散15min；再加入2g 2-乙氧基乙醇，超声分散30min，接着用高速搅拌分散100min，然后将其放置于真空箱内抽真空20min消除气泡，得到催化剂浆料；
(2)分别称取1g纳米氧化锌、1g纳米氧化锆、1g磷钼酸和5g 20wt％的全氟磺酸树脂液，化合物中分别加入249.5g去离子水和249.5g异丙醇、249.5g去离子水和249.5g异丙醇、249.5g去离子水和249.5g异丙醇、247.5g去离子水和247.5g异丙醇，搅拌均匀，分别得到含量为0.2wt％的化合物溶液，依次分别装入到对支撑体喷涂保湿处理、抗氧化处理、增强质子传导处理以及喷涂树脂的喷涂室，备用；
(3)将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为6m/min、涂布湿厚15μm的工艺涂布在质子交换膜9的一面，烘箱4温度为60℃，得到完全干燥的催化层A；
(4)选择厚度为100μm的PP膜，并对PP膜单面进行电晕处理和除尘处理，消除灰尘和静电；然后将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为2m/min、涂布湿厚30μm的工艺涂布在经过电晕处理的PP支撑体1上，形成催化剂浆料层，通入温度为60℃的烘箱4，并依次经过烘箱4内的第一喷头5、第二喷头6、第三喷头7和第四喷头8进行喷涂处理，喷涂速度均为400mm/s，喷涂流量为10mL/min，首先喷涂纳米氧化锌溶液，其次喷涂纳米氧化锆溶液，再次喷涂磷钼酸溶液，最后喷涂全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的PET支撑复合体，其中，上述任一功能化合物的担量均为0.02mg/cm2；
(5)将步骤(4)所得含有凝胶态层的PP支撑复合体和步骤(3)制备的有催化层A的质子交换膜9在热压复合区10以温度60℃、压力1MPa热压复合，然后支撑体收卷辊11收掉支撑体1，热压结束后的质子交换膜9在6m/min的牵引速度下，通入80℃烘箱4进行干燥得催化电极12。
实施例3：
(1)称取12g 60％的Pt/C固体催化剂和30g 10wt％的全氟磺酸树脂溶液混合，加入18g去离子水和240g甲醇，超声分散15min；再加入1.8g 2-乙氧基乙醇，超声分散30min，接着用高速搅拌分散80min，然后将其放置于真空箱内抽真空15min消除气泡，得到催化剂浆料；
(2)分别称取1g纳米氧化锌、1g纳米氧化锆、1g硅钨酸和10g 10wt％的全氟磺酸树脂液，化合物中分别加入249.5g去离子水和249.5g乙醇、249.5g去离子水和249.5g乙醇、249.5g去离子水和249.5g异丙醇、245g去离子水和245g异丙醇，搅拌均匀，分别得到含量为0.2wt％的化合物溶液，依次分别装入到对支撑体喷涂保湿处理、抗氧化处理、增强质子传导处理以及喷涂树脂的喷涂室，备用；
(3)将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为4m/min、涂布湿厚20μm的工艺涂布在质子交换膜9的一面，烘箱4温度为70℃，得到完全干燥的催化层A；
(4)选择厚度为75μm的PET膜，并对PET膜单面进行电晕处理和除尘处理，消除灰尘和静电；然后将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为4m/min、涂布湿厚20μm的工艺涂布在经过电晕处理的PET支撑体1上，形成催化剂浆料层，通入温度为40℃的烘箱4，并依次经过烘箱4内的第一喷头5、第二喷头6、第三喷头7和第四喷头8进行喷涂处理，喷涂速度均为300mm/s，喷涂流量为8mL/min，首先喷涂纳米氧化铝溶液，其次喷涂纳米氧化铈溶液，再次喷涂硅钨酸溶液，最后喷涂全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的PET支撑复合体，其中，上述任一功能化合物的担量均为0.015mg/cm2；
(5)将(4)所得含有凝胶态层的PP支撑复合体和(3)制备的含有催化层A的质子交换膜9在热压复合区10以温度40℃、压力2MPa热压复合，然后支撑体收卷辊11收掉支撑体1，热压结束后的质子交换膜9在4m/min的牵引速度下，通入70℃烘箱4进行干燥得催化电极12。
对比例1：
(1)称取12g 60％的Pt/C固体催化剂和30g 10wt％的全氟磺酸树脂溶液混合，加入18g去离子水和240g甲醇，超声分散15min；再加入1.8g 2-乙氧基乙醇，超声分散30min，接着用高速搅拌分散80min，然后将其放置于真空箱内抽真空15min消除气泡，得到催化剂浆料；
(2)将步骤(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为4m/min、涂布湿厚20μm的工艺涂布在质子交换膜9的一面，烘箱4温度为70℃，得到完全干燥的催化层A；
(3)选择厚度为75μm的PET膜，并对PET膜单面进行电晕处理和除尘处理，消除灰尘和静电；然后将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为4m/min、涂布湿厚20μm的工艺涂布在经过电晕处理的PET支撑体1上，形成催化剂浆料层，通入温度为40℃的烘箱4，形成具有凝胶态层的PET支撑复合体；
(4)将(3)所得含有凝胶态层的PP支撑复合体和(2)制备的含有催化层A的质子交换膜9在热压复合区10以温度40℃、压力2MPa热压复合，然后支撑体收卷辊11收掉支撑体1，热压结束后的质子交换膜9在4m/min的牵引速度下，通入70℃烘箱4进行干燥得催化电极12。
对比例2：
(1)称取15g 20％的Pt/C固体催化剂和60g 5wt％的全氟磺酸树脂溶液混合，加入30g去离子水和450g异丙醇，超声分散15min；再加入1.5g丙二醇乙醚，超声分散30min，接着用高速搅拌分散60min，然后将其放置于真空箱内抽真空10min消除气泡，得到催化剂浆料；(2)将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为2m/min、涂布湿厚30μm的工艺涂布在质子交换膜9的一面，烘箱4温度为80℃，得到完全干燥的催化层A；
(3)选择厚度为50μm的PET膜，并对PET膜单面进行电晕处理和除尘处理，消除灰尘和静电；然后将(1)制备的催化剂浆料采用涂布速度为6m/min、涂布湿厚20μm的工艺涂布在经过电晕处理的PET支撑体1上，形成催化剂浆料层，通入温度为80℃的烘箱4，形成完全干燥态的PET支撑复合体；
(4)将(3)所得含有干燥态层的PET支撑复合体和(2)制备的有催化层A的质子交换膜9在热压复合区10以温度30℃、压力4MPa热压复合，然后支撑体收卷辊11收掉支撑体1，得到催化电极12。
通过对比发现，支撑体上的凝胶态层经过处理后，其转移效率明显提升，而没有经过功能化处理处于凝胶状态的催化层和处于完全干燥状态的催化层在热压转移结束后有大量催化剂在支撑体膜上残留，并且其电化学性能明显较低。本发明通过热压转移生产的膜电极其效率通过以下方式计算：裁剪大小、尺寸完全一样的空白膜10*20cm，进行涂布催化剂，处理和转移后再称重空白离型膜的重量，通过质量差的方式计算转移率，其结果见表1。
将本发明所制备的催化剂浆料制备成膜电极组装成电池，然后评价其氢氧条件下的电池性能。测试条件：电池运行温度：60℃，H2/O2 100RH％，流量40/100mL/min，进气口均为常压，测试结果在表1。
测试结果如表1所示：
实施例 1 2 3 对比1 对比2
转移率/％ 98 97.3 97.1 82 67
电流密度mA@0.6V 0.78 0.82 0.81 0.64 0.58
电流密度mA@0.6V 0.62 0.66 0.7 0.52 0.49
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种燃料电池催化电极的生产方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1、制备催化剂浆料，将所制得的催化剂浆料涂覆于质子交换膜的一面，烘干后备用；
S2、将S1制备的催化剂浆料涂布在一支撑体上，对所述催化剂浆料进行烘干形成催化剂层，同时在催化剂层上依次喷涂保湿溶液、抗氧化溶液、增强质子传导溶液以及全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的支撑复合体；
S3、将S2制备的支撑复合体与S1的质子交换膜的非涂覆面进行热压转移处理，使支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的非涂覆面上，烘干后得到所述催化电极。
2.一种权利要求1所述生产方法所用的燃料电池催化电极的生产设备，其特征在于：所述生产方法所用的设备为连续涂布设备；所述连续涂布设备包括支撑体传送线和质子交换膜传送线；所述支撑体传送线与质子交换膜传送线设有传送重合处；所述传送重合处设有热压复合区；
沿传送方向，所述支撑体传送线上位于热压复合区的前工位处依次设有涂布头和烘箱，所述支撑体传送线穿过烘箱，并在烘箱中呈从高到低的坡度状，所述烘箱内阵列设有若干个喷头；
沿传送方向，所述支撑体传送线上位于热压复合区的后工位处设有支撑体收卷辊，所述质子交换膜传送线上位于热压复合区的后工位处设有烘箱；
所述热压复合区包括一对用于实现热压功能的加热转动辊。
3.一种利用权利要求2所述设备生产催化电极的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将支撑体和一面涂有催化剂浆料的质子交换膜分别置于支撑体传送线和质子交换膜传送线的起始位置；
(2)通过涂布头将催化剂浆料涂布在支撑体上，然后传送至烘箱中，在烘干的同时通过不同喷头依次喷涂保湿溶液、抗氧化溶液、增强质子传导溶液和全氟磺酸树脂溶液，形成具有凝胶态层的支撑复合体；
(3)在传送带的带动下，将质子交换膜和所述支撑复合体通过热压复合区进行热压转移，使支撑复合体上的凝胶态层转移到质子交换膜的非涂覆面上，之后通过支撑体收卷辊对支撑体进行收卷，转移后的质子交换膜两面均具有催化剂层，通过烘箱进行烘干，得到所述催化电极。
4.根据权利要求1或3所述的生产方法，其特征在于：
所述保湿溶液为化合物I和溶剂的混合；所述化合物I为纳米二氧化硅、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米氧化锆和纳米氧化铝中的一种；
所述抗氧化溶液为化合物II与溶剂的混合；所述化合物II为纳米氧化锰、纳米二氧化锰、纳米氧化铈和纳米氧化锆中的一种；
所述增强质子传导溶液为化合物III与溶剂的混合；所述化合物III为杂多酸；
所述保湿溶液、抗氧化溶液、增强质子传导溶液以及全氟磺酸树脂溶液中所用溶剂均为去离子水和低沸点醇类的混合；所述去离子水和低沸点醇类的质量比为1：1。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于：所述杂多酸为磷钼酸、磷钨酸和硅钨酸中的一种；所述保湿溶液中的化合物I质量分数为0.1％-0.2％；所述抗氧化溶液中化合物II的质量分数为0.1％-0.2％；所述增强质子传导溶液中化合物III的质量分数为0.1％-0.2％；所述全氟磺酸树脂溶液中全氟磺酸树脂的质量分数为0.1-0.2％。
6.根据权利要求1或3所述的生产方法，其特征在于：所述支撑体为经过电晕处理的聚乙烯膜、聚丙烯膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，所述支撑体的厚度为50-100μm。
7.根据权利要求1或3所述的生产方法，其特征在于，S2中对支撑体的涂布湿厚为20-30μm，烘干温度为30-60℃；S2中任一所述溶液的喷涂均为间隔式喷涂，喷涂频率为150-350ms/次，喷涂间隔时间为100-200ms；喷涂流量为6-10mL/min,喷涂速度200-400mm/s，化合物I、化合物II、化合物III和全氟磺酸树脂喷涂担量均为0.01-0.02mg/cm2。
8.根据权利要求1或3所述的生产方法，其特征在于，S2或步骤(2)中对所述支撑体喷涂溶液时，支撑体位于沿传送方向高度逐渐降低的传送带上。
9.根据权利要求1或3所述的生产方法，其特征在于：S1中催化剂浆料的制备方法为：称取固体催化剂颗粒和全氟磺酸树脂溶液以及去离子水、低沸点醇类溶剂和慢干剂，混合后在25-40℃下超声分散，之后高速搅拌分散，静置除泡，得到催化剂浆料。
10.根据权利要求9所述的生产方法，其特征在于：所述固体催化剂颗粒为Pt含量为10-90％的Pt/C或Pt合金/C；所述全氟磺酸树脂溶液的质量浓度为5％-20％；所述固体催化剂颗粒：全氟磺酸树脂液：去离子水：低沸点醇类溶剂：慢干剂的质量比为1-3:4-6:2-4:30-50:0.1-0.2；所述慢干剂为丙二醇、乙醚或2-乙氧基乙醇。
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